Una corsa da due milioni di dollari per seguire i cambiamenti degli oceani

A bordo del R/V Kilo Moana, la tensione è palpabile.

Cinque squadre fissano nervosamente la superficie dell'acqua mentre la rosetta risale lentamente dalle profondità. Questo pezzo di attrezzatura oceanografica è carico di alte bottiglie grigie piene di campioni d'acqua e cinque misuratori di pH sperimentali fissati saldamente al suo telaio. Sono in gioco letteralmente milioni di dollari e le squadre, che hanno lavorato per un anno alle loro iscrizioni nel Wendy Schmidt Ocean XPrize, sono ansiosi di vedere se sono sopravvissuti al viaggio giù per 10.000 piedi nell'oceano profondo e oscuro.

Acidificazione degli oceani– il cugino meno conosciuto del riscaldamento globale – è una delle maggiori minacce per gli ambienti marini a causa del cambiamento climatico. Quando l’anidride carbonica si dissolve nell’acqua di mare, l’acqua diventa più acida, stressando e persino uccidendo specie importanti come i coralli. Il secondo Ocean XPrize cerca di attirare l’attenzione su questo formidabile problema e di incentivare le tecnologie che aiuteranno gli scienziati a documentare e comprendere i cambiamenti chimici dei nostri oceani: 2 milioni di dollari per il pHmetro più accurato, efficiente e facile da usare che l'oceano abbia mai avuto visto.

È facile misurare il pH in laboratorio, dove un elettrodo da banco può essere facilmente calibrato e conservato in condizioni ideali per evitare danni. Ma l’oceano salato è imprevedibile, corrosivo e pieno di organismi che incrostano e divorano tutto ciò che arriva sul loro territorio. Inoltre, gli oceani sono profondi: un buon dispositivo deve essere utile in superficie e allo stesso tempo fornire dati se legato a un sommergibile mentre esplora le profondità più oscure. Gli scienziati hanno bisogno di un pHmetro che sia tanto robusto quanto accurato e conveniente.

Foto del riscaldamento globale

La Rosetta in azione

Il premio di 2 milioni di dollari è diviso in due borse. Per il premio in termini di prestazioni da 1 milione di dollari, accuratezza, precisione e stabilità sono le qualità più importanti; l'altra metà del premio in denaro andrà alla squadra che avrà ottenuto i migliori punteggi in termini di convenienza e facilità d'uso. “Se esiste un dispositivo in grado di fare tutto, sarà in grado di ripulire”, ha affermato Paul Bunje, direttore senior del Wendy Schmidt Ocean XPrize. "Se sei in grado di fare tutto, puoi vincere tutti i 2 milioni di dollari."

Questo lunedì i vincitori verranno annunciati al Wendy Schmidt Ocean XPrize gala di premiazione nella città di New York. L'evento prevederà anche una tavola rotonda sul futuro della salute degli oceani, con illustri relatori tra cui Richard Spinrad, uno scienziato capo della National Oceanic and Atmospheric Administration, e Sherri Goodman, amministratore delegato di Ocean Comando. Fino ad allora le squadre tengono le dita incrociate.

Occhio al Premio

Inizialmente settantasette squadre puntarono al premio, anche se solo ventisei riuscirono a preparare i loro prototipi in tempo. Lo scorso settembre, diciotto di questi hanno superato la fase iniziale e si sono sottoposti al primo vero test della competizione presso il Monterrey Bay Aquarium Research Institute: precisione e stabilità. "Avevamo un allestimento del laboratorio molto, molto preciso", spiega Jyotika Virmani, direttore delle operazioni tecniche. Virmani ha supervisionato la sistemazione delle strutture in cui si è svolta ogni fase della competizione, nonché il team di validazione scientifica. Dopo due mesi in condizioni di laboratorio, quattordici squadre si sono trasferite a Seattle dove sono state testate in condizioni costiere in continua evoluzione. Oltre alle prestazioni, ogni squadra è stata giudicata in base alla convenienza e alla facilità d'uso. «Perché quello che vogliamo fare è avere sensori che le persone possano usare», ribadisce Virmani. “Così puoi farlo arrivare ai manager e anche al pubblico, alle scuole.”

I cinque sensori finalisti sono stati sottoposti all'ultimo test a bordo del R/V Kilo Moana, una nave da ricerca di proprietà della Marina degli Stati Uniti e gestita dal Marine Center dell'Università delle Hawaii. Le squadre hanno trascorso una settimana a bordo Stazione ALOHA, 110 miglia quadrate di oceano ben studiate a circa 100 miglia a nord di Oahu. I sensori sono stati rigorosamente testati in condizioni di oceano aperto, anche per verificare la loro capacità di creare un profilo pH completo da 0 a 3.000 metri di profondità.

Cosa serve per vincere

I giudici stanno confrontando i risultati dei cinque sensori con i dati di riferimento per criteri come l’accuratezza, dati che, come osserva Bunje, non è stata un’impresa da poco generare. XPrize ha riunito alcuni dei migliori scienziati del pH al mondo, guidati da Richard Feeley, senior scienziato presso il Pacific Marine Environmental Laboratory della National Oceanic and Atmospheric Administration Seattle. “Abbiamo dovuto portare il laboratorio con noi”, dice Bunje, “un container da 20 piedi con un laboratorio e attrezzature per un valore di centinaia di migliaia di dollari”.

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XPRIZE

Alcuni sensori utilizzano una tecnologia molto simile a quella utilizzata dal team di validazione di Feeley, ma altri sono completamente diversi. "Non ero sicuro di quante tecnologie diverse avremmo visto", afferma Chris Kellogg, uno dei giudici del premio. È rimasta colpita dalla diversità, non solo degli approcci, ma dei team stessi. "C'era una squadra di studenti delle scuole superiori della California", dice. “La curva di apprendimento di quanto velocemente sono passati dal non avere la minima idea di quale sia il pH dell’oceano, tanto meno di come farlo misurarlo, costruire un sensore, farlo funzionare e raccogliere dati davvero fantastici è stato selvaggio."

Sebbene gli adolescenti non siano riusciti ad arrivare alla fase finale, le cinque squadre finaliste rappresentano cinque approcci tecnologici completamente diversi per misurare il pH. Provengono dalla Norvegia, dal Giappone, dal Regno Unito e dagli Stati Uniti. E hanno investito una somma impressionante in questo sforzo, sia in termini di tempo che di denaro. “Quando inizi a sommare gli investimenti di tutti questi team nella produzione delle loro innovazioni, ciò che abbiamo riscontrato su ogni XPrize è che c’è un investimento dieci volte superiore da parte dei team. Quindi 10 volte quelle squadre hanno investito il valore del montepremi”.

I vincitori verranno annunciati il ​​20 luglio, ma anche allora la competizione non è del tutto finita, dice Bunje. "Uno dei nostri piccoli slogan a XPrize è che il vero cambiamento avviene, il vero premio inizia il giorno in cui viene vinta la borsa, perché è allora che tutti escono e iniziano letteralmente a cambiare il mondo."

I FINALISTI

Squadra Xilema

Jostein Hovdenes lavora al computer con il sensore sullo sfondo

Squadra Xilema

Jostein Hovdenes lavora al computer con il sensore sullo sfondo
  • Paese di origine: Norvegia / Stati Uniti
  • Caposquadra: Jostein Hovdenes
  • Approccio tecnologico: l'ottica

Con decenni di esperienza nella progettazione e produzione di sensori acquatici, non è del tutto sorprendente Xilema è arrivato a questo round finale, o almeno questa è l'impressione che hai dal leader della squadra Jostein Hovdenes, un uomo di poche parole e con una sicurezza pacata che ti farebbe pensare che la squadra abbia la concorrenza in borsa. "Abbiamo sensori per ossigeno, conduttività, salinità, cose del genere", spiega. "Quindi [pH] era in realtà il passo logico successivo."

Xylem ha creato un elettrodo pH ottico per affrontare le difficili esigenze di questa competizione Ocean XPrize. Il loro nuovo sensore si inserisce nel già popolare alloggiamento del sensore Seaguard, in modo che possa essere utilizzato insieme agli altri strumenti oceanografici attualmente venduti dall'azienda.

Il sensore di Xylem si basa su un colorante fluorescente che cambia colore a seconda del pH dell'acqua circostante. I LED emettono luce blu su una pellicola sottile contenente questo colorante e il sensore legge quali colori vengono emessi per determinare il pH. Non sono presenti parti mobili e il sistema nel suo insieme consuma pochissima energia, rendendolo ideale per implementazioni prolungate con durata della batteria limitata. E come bonus, il rivestimento è già stato valutato per 6.000 metri, quindi la squadra non è troppo preoccupata di avere problemi in profondità.

Ma mentre l’involucro è stato testato, il sensore di pH in sé è relativamente nuovo e Hovdenes ritiene che “avrebbero potuto fare di meglio”. Sebbene fosse vago al riguardo dettagli, Hovdenes ha affermato che la competizione ha rivelato “trappole legate alla nostra tecnologia” e che “non era troppo ottimista” riguardo alle probabilità di successo della squadra. vincente.

Quando chiedo a Hovdenes cosa farebbero lui e i suoi compagni di squadra se vincessero, però, è deliziosamente conciso: “Speriamo di cambiare il modo in cui viene misurato il pH nell’oceano”.

Sensori Sunburst

James Beck assicura il T-SAMI

Sensori Sunburst

James Beck assicura il T-SAMI
  • Paese di origine: Stati Uniti
  • Caposquadra: James Beck
  • Approccio tecnologico: spettrofotometria

La spettrofotometria, la misurazione dell’intensità delle lunghezze d’onda della luce note dopo aver attraversato una sostanza, è il “gold standard” quando si tratta di rilevare il pH. Quindi, in qualche modo, Sensori Sunburst ha adottato un approccio classico per creare un sensore di pH utilizzando la stessa tecnologia generale che è stata comune per decenni. “Il metodo è semplice. Questo è un punto di forza”, afferma James Beck, team leader e CEO di Sunburst Sensors.

Il sensore Sunburst, il T-SAMI (Titanium Submersible Autonomous Moored Instrument-pH): "Non siamo molto intelligenti nel dare un nome", Beck note), è costituito da una piccola area in cui l'acqua viene aspirata dall'oceano circostante e mescolata con coloranti i cui colori sono Dipendente dal pH. Il sensore quindi irradia una luce attraverso l'acqua ora colorata e misura la quantità assorbita, comunicando così allo strumento di che colore (e quindi pH) è l'acqua.

È quasi identico al metodo utilizzato dal team analitico di XPrize per creare i valori di riferimento con cui i giudici confronteranno le squadre. “Fondamentalmente lo fanno in panchina; lo stiamo facendo con un dispositivo”, afferma Beck.

Un grande problema contro il T-SAMI, tuttavia, è che è lento: non può essere rapido e continuo misurazioni, e quindi ha il ponte impilato contro di esso quando si tratta di creare una profondità completa profilo del pH. "La temperatura dell'acqua passa dalla temperatura ambiente fino a raggiungere quasi lo zero in meno di un'ora, e anche il pH e la pressione cambiano rapidamente", spiega. È possibile che il T-SAMI semplicemente non sia in grado di tenere il passo con i sensori più veloci.

C’è anche il prezzo: il solito modello SAMI di Sunburst costa fino a $ 17.000, e questo è realizzato in titanio, un involucro di metallo più costoso.

Ma ciò che Beck è più preoccupato è come si comporteranno tutte le parti mobili mentre si tuffano fino a 3.000 metri. L'azienda ha sede nello stato del Montana, senza sbocco sul mare, e quindi non è mai stata in grado di testare i propri sensori nelle profondità dell'oceano aperto. “Semplicemente non abbiamo alcun modo per simularlo”, dice.

Beck è ottimista riguardo alle loro possibilità, ma è stato ancora più entusiasta dell'opportunità offerta dalla concorrenza. “Se vinciamo, è fantastico, ma alla fine speriamo di essere molto più intelligenti su ciò che stiamo facendo”.

HPHS

Yoshiyuki Nakano esamina il sensore sulla rosetta

HPHS

Yoshiyuki Nakano esamina il sensore sulla rosetta
  • Paese d'origine: Giappone
  • Caposquadra: Yoshiyuki Nakano
  • Approccio tecnologico: ibrido (elettrodo di vetro + spettrofotometria)

Il nome della squadra dice tutto: HPHS, che sta per Hybrid pH Sensor, è l'unico sensore a utilizzare due tecnologie di rilevamento. Combina due metodi collaudati per determinare il pH in un modello elegante, ottenendo così il meglio da entrambi i mondi.

Come il modello di Sunburst Sensors, il sensore HpHS è dotato di un rilevatore di pH spettrofotometrico che utilizza coloranti che cambiano colore per determinare il pH. Ma poiché questo metodo è lento e coinvolge molte parti mobili e reagenti, il team lo ha accoppiato a un elettrodo separato. La tecnologia simile alla metà dell'elettrodo di HpHS è un metodo molto comunemente utilizzato per misurare il pH. Questi elettrodi contengono liquidi che reagiscono alla presenza di ioni idrogeno nell'acqua, creando una variazione di voltaggio. Quella tensione può essere letta rispetto a un elettrodo di riferimento (che non reagisce allo stesso ioni) e il pH calcolato utilizzando un'equazione che mette in relazione la differenza tra la corrente e lo ione concentrazione.

Anche se ciascuno di questi metodi presenta da solo degli svantaggi, la combinazione aiuta a evitarne alcuni. Come spiega il leader del team Yoshiyuki Nakano, “il sistema spettrofotometrico è molto preciso ma utilizza più energia”, mentre l’elettrodo “non è così preciso ma consuma meno energia”.

Il grande vantaggio di avere due tipi di sensore: il sensore è autocalibrante e quindi può adattarsi al volo alle fluttuazioni ambientali. L'elettrodo può generare misurazioni rapide ma tende ad allontanarsi dalle impostazioni calibrate e pertanto deve essere ricontrollato spesso. Nel modello HpHS, la metà spettrofotometrica esegue la calibrazione dell'elettrodo, prevenendo così il problema.

È l’unico sensore ibrido al mondo, afferma con sicurezza Nakano. Pensano di avere buone possibilità di vincere, ma non arrivano al punto di dire che lo faranno. “Non vediamo l’ora di vedere i risultati e le possibilità dopo il premio”.

Squadra Durafet

Fissare il sensore alla rosetta, che lo porterà giù a 3.000 metri. Dave Murphy e Yui Takeshita sono sulla destra

Squadra Durafet

Fissare il sensore alla rosetta, che lo porterà giù a 3.000 metri. Dave Murphy e Yui Takeshita sono sulla destra
  • Paese di origine: Stati Uniti
  • Caposquadra: Bob Carlson
  • Approccio tecnologico: potenziometria (elettrodo transistor ad effetto di campo sensibile agli ioni)

I membri di Squadra Durafet sono tutt'altro che principianti nel campo del rilevamento del pH. Hanno speso cinque anni e oltre cinque milioni di dollari per progettare, costruire, calibrare e testare il prototipo del sensore pH Deep-Sea Durafet. Il loro modello completo è sceso fino a 2.000 metri, la profondità più profonda tra tutti i finalisti, ed è stato in grado di gestire i caldi mari tropicali e le acque ghiacciate dell'Antartide con la stessa facilità nei test sul campo. "Stiamo costruendo queste cose da un paio d'anni ormai, quindi abbiamo già risolto i primi bug", ha detto Yui Takeshita, rappresentante del team durante la crociera.

Gli elettrodi utilizzati nel Deep-Sea Durafet sono simili all'elettrodo del sensore HpHS, ma invece di utilizzare il vetro, l'elettrodo utilizza un tipo speciale di materiale che risponde direttamente ioni idrogeno. Sia questo elettrodo “sensibile agli ioni” che un elettrodo di riferimento (che non è sensibile agli ioni idrogeno) sono esposti all'acqua contemporaneamente mentre si trova in un circuito, e dalla corrente risultante, il pH dell'acqua può essere calcolato.

Tuttavia, la maggior parte degli elettrodi sono troppo fragili per scopi in mare aperto, spiega Takeshita. Quindi Durafet ha dovuto collaborare per anni con Honeywell, un produttore di elettrodi commerciali, per creare gli attuali elettrodi Durafet-3 utilizzati nel Deep-Sea Durafet.

Lo svantaggio dell'utilizzo degli elettrodi è che devono essere ben calibrati: tutto dipende da loro elettrodo di riferimento e il circuito, quindi se l'acqua di mare dovesse infiltrarsi in un punto in cui non dovrebbe esserci, tutto andrebbe via torace. E mentre Takeshita è fiducioso che il modello andrà bene fino a 2.000 metri, mancano ancora 1.000 metri ai requisiti della sfida. Anche il Deep-Sea Durafet è estremamente costoso.

Tuttavia, il modello ben collaudato del Team Durafet è quello da battere, e Takeshita lo sa: “Mi sento bene riguardo alle mie probabilità”.

Sensori ANB

Nathan Lawrence (in basso a destra) e William Barrow (in azzurro) controllano il loro sensore

Sensori ANB

Nathan Lawrence (in basso a destra) e William Barrow (in azzurro) controllano il loro sensore
  • Paese di origine: Regno Unito
  • Caposquadra: Nathan Lawrence
  • Approccio tecnologico: elettrochimica

Alcuni potrebbero vedere Sensori ANB essendo gli sfavoriti della competizione, dopo tutto hanno iniziato a realizzare il loro prototipo solo un mese prima di doverlo avere in mano per le prime prove di laboratorio. “Non funzionava alle tre del mattino, poco prima dell’inizio della Fase 2A”, dice Lawrence ridendo. "ma alla fine, l'abbiamo fatto funzionare."

Il loro sensore “pHenom” utilizza elettrodi brevettati a stato solido che non contengono alcun compartimento di vuoto o gas. Il pHenom contiene più elettrodi, ciascuno con la propria chimica unica in grado di reagire alla concentrazione di determinati ioni nell'acqua ed emettere una tensione in risposta. "La magia del sensore è la chimica dell'elettrodo, che prevede variazioni di tensione attraverso gli elettrodi a seconda del pH", spiega il team. "Altrimenti, e tacete questo, il sistema è molto semplice."

Gli elettrodi a stato solido forniscono all'ANB un enorme vantaggio: non è necessaria alcuna calibrazione. Il pHenom può essere lasciato cadere in qualsiasi acqua ovunque ed essere pronto all'uso.

Ci sono anche molte altre qualità che fanno risaltare il loro modello. A prima vista, sembra semplicemente diverso: il suo involucro appiattito, bianco, stampato in 3D è in netto contrasto con i sensori metallici cilindrici delle altre quattro squadre. È anche l’unico sensore con una risposta chiara a uno dei problemi più frustranti con gli strumenti oceanografici: il biofouling. Tutto ciò che viene gettato nell’oceano diventa l’habitat per una varietà di creature, dai cirripedi alle spugne, che possono danneggiare gli strumenti e sono costose da rimuovere. Il pHenom è costruito con una plastica speciale che resiste all'attaccamento degli organismi marini. Ma soprattutto, è di gran lunga il più economico da realizzare. Il team stimò che il costo sarebbe stato di circa 1.000 dollari, un decimo o meno del prezzo degli altri modelli in finale. Il prezzo, la struttura a bassa manutenzione e la facilità d'uso lo rendono un forte contendente per il prezzo accessibile.

Tuttavia, il team fa subito notare che, sebbene la loro tecnologia sia economica e facile da usare, non è nemmeno stata testata. "La profondità e la pressione sono le maggiori preoccupazioni", afferma Lawrence. In questo round finale, il loro sensore viene giudicato in base alle prestazioni fino a circa 10.000 piedi e backup - e prima della competizione, il valore più profondo che una squadra aveva preso per uno qualsiasi dei propri sensori di pH era 10 piedi.

Quando ho chiesto a Lawrence e al membro della sua squadra William Barrow se pensavano che avrebbero vinto, erano abbastanza fiduciosi. "No", rispose Barrow con fermezza mentre i due ridevano. Lawrence scosse la testa. "Non una possibilità."

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